為滿足全球數據流量指數級增長的傳輸需求,下一代400Gb/s或lTb/s高速光纖通信系統(tǒng)將利用彈性收發(fā)機及相干接收端強大的數字信號處理(Digital Signal Processing,DSP)技術,進行帶寬、子載波數量及調制格式等參數靈活可調的自適應光傳輸,并實現帶寬資源的靈活調配。因此,下一代高速光纖通信系統(tǒng)將朝著數字化、軟件化、動態(tài)可重構的彈性光網絡(Elastic Optical Network,EON)方向演進。作為保障EON穩(wěn)定運行的必備條件,參數辨識及偏振損傷均衡技術是EON系統(tǒng)可靠傳輸領域中兩項重要的研究內容。對于EON而言,由于彈性發(fā)射機的參數一直隨光纖傳輸距離、信道噪聲特性及用戶流量變化等因素進行動態(tài)調整,在EON相干接收端利用DSP算法進行重要參數的智能辨識,是進行EON光性能監(jiān)測及信號正確接收的前提和基礎。此外,為達到較高的頻譜效率,EON系統(tǒng)均采用偏振復用(Polarization Division Multiplexing,PDM)技術,極易受到源自EON系統(tǒng)及光纖傳輸過程中各種偏振損傷的嚴重影響。因此,利用DSP算法進行偏振損傷的聯(lián)合均衡也是EON系統(tǒng)相干接收中非常關鍵的環(huán)節(jié)。綜上,進行EON系統(tǒng)的參數辨識及偏振損傷聯(lián)合均衡研究,對于保障下一代高速光纖通信骨干網的可靠運行,并早口實現EON系統(tǒng)的應用和普及具有重要的理論和實踐意義。本論文緊緊圍繞EON系統(tǒng)參數辨識和偏振損傷均衡兩大主題,主要開展了 EON參數智能辨識、偏振損傷聯(lián)合均衡和EON光發(fā)射機預均衡等研究工作,主要內容及創(chuàng)新點為:(1)EON帶寬參數及子載波調制格式的智能辨識研究本論文提出了一種新的基于正交頻分復用的彈性光網絡(Orthogonal Frequency Division Multiplexing EON,OFDM-EON)智能帶寬識別方案。該方案可分為3個階段進行:功率譜密度(Power Spectrum Density,PSD)估計、基于經驗模式分解(Empirical Mode Decomposition,EMD)的自適應噪聲濾波及基于滑動窗口的帶寬識別,它能夠自適應地濾除噪聲并智能地尋找到帶寬的起始和終止位置。仿真及實驗結果表明:這種方法可成功識別2GHz到40GHz范圍內的EON帶寬,分辨率為39MHz,可足夠精確區(qū)分出Gbit/s量級的帶寬可變發(fā)射機;在幾乎相同的識別精度下,本方案的采樣點數僅為基于循環(huán)平穩(wěn)特性方法的1/16;此外,所提方案對于色度色散(Chromatic Dispersion,CD)具有良好的容忍度,子載波數量和頻偏均不會影響帶寬識別精度。同時,針對OFDM-EON的子載波調制格式識別問題,本文提出了一種基于BPSK訓練符號的調制格式識別方案。研究結果表明:這種方案在OSNR高于15dB時可實現對所有子載波調制格式的正確識別,具有對OSNR容忍度高、識別成功率高的特點。(2)基于擴展卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter,EKF)的兩階段偏振損傷聯(lián)合均衡研究本論文提出了一種新的基于EKF的兩階段偏振損傷聯(lián)合均衡方案。該方案通過在彈性接收機的DSP數字域構建兩階段補償矩陣,充分利用EKF快速收斂的特點,逐符號進行補償矩陣中未知參數的估計,可實現對快速偏振態(tài)旋轉(Rotation of State of Polarization,RSOP)、一階偏振模色散(Polarization Mode Dispersion,PMD)和二階PMD(Second-order PMD,SOPMD)的聯(lián)合均衡,克服了傳統(tǒng)恒模算法(Constant Modulus Algorithm,CMA)及多模算法(Multiple Modulus Algorithm,MMA)在快速RSOP下無法進行偏振損傷均衡的缺陷。經PDM-QPSK及PDM-16QAM EON接收信號的偏振均衡實驗,結果表明:該方案可追蹤的最快RSOP分別約為120Mrad/s和110Mrad/s,這一能力分別是CMA的35倍以及CMA/MMA的50倍;它具有良好的RSOP跟蹤、一階PMD和SOPMD補償的聯(lián)合均衡性能,獲得了比CMA/MMA更高的Q因子和更好的均衡效果;該方案的收斂速度約為50個符號(等價于5ns),這一速度遠快于CMA/MMA;對這2種調制格式,本方案每符號的計算復雜度分別僅為CMA的44%,以及CMA/MMA的31%左右。(3)支持任意調制格式的EON光發(fā)射機預均衡研究針對支持任意調制格式的EON光發(fā)射機存在的輸出信號畸變問題,本論文詳細進行了 EON光發(fā)射機的DSP預均衡研究,提出了射頻線纜及模數轉換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)的頻率響應預補償、IQ通道的時延(skew)校準、馬赫增德爾調制器(Mach-Zehnder Modulator,MZM)的非線性調制預補償方案,并進行了相應實驗驗證,得到了高質量的EON光發(fā)射信號。實驗結果表明:進行發(fā)射機DSP預均衡后,IQ通道間的skew值可降至飛秒量級,Q因子整體提高了接近2dB,發(fā)射信號的星座點排列更加均勻。
【學位單位】：北京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN929.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 全球數據流量需求及變化趨勢
    1.2 光通信傳輸系統(tǒng)的發(fā)展歷程與趨勢
        1.2.1 光通信傳輸系統(tǒng)的發(fā)展歷程
        1.2.2 光通信傳輸網絡的發(fā)展趨勢
    1.3 EON系統(tǒng)的基本概念及關鍵技術
        1.3.1 EON的基本概念
        1.3.2 EON的研究現狀及關鍵技術
    1.4 選題意義及國內外研究現狀
        1.4.1 EON參數辨識的意義及研究現狀
        1.4.2 EON偏振損傷均衡的意義及研究現狀
    1.5 論文的研究內容與章節(jié)安排
    參考文獻
第二章 數字相干光通信系統(tǒng)
    2.1 相干光傳輸系統(tǒng)
    2.2 單載波PDM-EON光發(fā)射機及DSP預均衡
        2.2.1 RF信號產生單元
        2.2.2 光路單元
    2.3 OFDM-EON發(fā)射機
        2.3.1 OFDM調制的基本原理
        2.3.2 OFDM-EON的發(fā)射機結構
    2.4 光纖信道傳輸模型
    2.5 光纖信道損傷
        2.5.1 損耗及OSNR
        2.5.2 色度色散
        2.5.3 非線性效應
    2.6 PDM-EON信號的相干接收
        2.6.1 相干光接收前端
        2.6.2 DSP處理單元
    2.7 本章小結
    參考文獻
第三章 偏振效應及相干接收DSP均衡研究
    3.1 偏振效應
        3.1.1 偏振光的數學表示
        3.1.2 RSOP的數學模型
        3.1.3 偏振控制器模型
        3.1.4 偏振相關損耗
        3.1.5 偏振模色散
    3.2 單載波EON系統(tǒng)的相干接收DSP均衡研究
        3.2.1 正交化與歸一化
        3.2.2 色度色散補償
        3.2.3 Kerr非線性效應補償
        3.2.4 偏振解復用
        3.2.5 載波頻偏估計
        3.2.6 載波相位恢復
        3.2.7 實驗驗證
    3.3 OFDM-EON系統(tǒng)的相干接收DSP均衡研究
        3.3.1 符號同步及頻偏估計
        3.3.2 偏振解復用
        3.3.3 信道均衡及子載波相位恢復
        3.3.4 仿真驗證
    3.4 本章小結
    參考文獻
第四章 EON參數智能辨識研究
    4.1 研究背景
    4.2 OFDM-EON帶寬識別方案原理
        4.2.1 功率譜估計
        4.2.2 基于EMD的自適應噪聲濾波
        4.2.3 基于滑動窗口的帶寬識別
        4.2.4 滑動窗口法的各參數影響
    4.3 帶寬識別的仿真及實驗驗證
        4.3.1 仿真識別結果
        4.3.2 CD、子載波數量及頻偏對所提方案的影響分析
        4.3.3 實驗驗證
    4.4 OFDM-EON的子載波調制格式識別初步研究
        4.4.1 調制格式識別原理
        4.4.2 仿真驗證
    4.5 本章小結
    參考文獻
第五章 EON偏振損傷聯(lián)合均衡研究
    5.1 研究背景
    5.2 EKF參數估計原理
    5.3 基于EKF的兩階段偏振損傷聯(lián)合均衡
        5.3.1 兩階段偏振損傷聯(lián)合均衡原理
        5.3.2 基于EKF的參數估計
    5.4 實驗驗證
        5.4.1 EKF參數優(yōu)化
        5.4.2 RSOP跟蹤性能
        5.4.3 PMD補償性能
        5.4.4 RSOP跟蹤、一階PMD和SOPMD補償的聯(lián)合均衡
    5.5 收斂速度和計算復雜度
        5.5.1 收斂速度分析
        5.5.2 計算復雜度分析
    5.6 本章小結
    參考文獻
第六章 總結與展望
    6.1 工作總結
    6.2 未來展望
縮略詞
致謝
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本文編號：2855582